Rubidium-strontium-datering af Jorden og meteoritter

Figur 1. Biotit. Et Kalium-mineral, hvor der på en del af Kaliums pladser sidder Rubidium. Bilde av Fred Kruijen

Rubidium-strontium-datering af Jorden og meteoritter

1. februar 2015 kl. 00:00
Forfatter:Finn Boelsmand, lektor i fysik og kemi

Ved å se på forholdet mellom de forskjellige isotopene, kan man regne seg fram til alder på prøver.


Rubidium. Rb

Grundstoffet Rubidium (forkortes Rb) består af isotoperne:

  • Rubidium-85 (forkortes 85Rb). Den udgør 72,15%. Den er stabil.
  • Rubidium-87 (forkortes 87 Rb). Den udgør 27,85%. Den er radioaktiv og henfalder/forsvinder med tiden.
  • Dens halveringstid er 48,8 milliarder år.
  • Dens henfaldskonstant er k =1,42*10-11 år -1.

Rb er i 1. hovedgruppe af det periodiske system (ligesom Natrium og Kalium, der forkortes Na og K) og kan formodes at findes lignende steder som Na og K.

Isotopforholdet mellem 87Rb og 85Rb er derfor:

  • Isotopforhold (forkortes R87/R85, R for ”ratio” = forhold) 27,85 / 72,15 = 0,3860.

Det er ikke sikkert, at isotopforholdet er det samme for forskellige mineralprøver – dels fordi 87 Rb er radioaktiv og jo kan være henfaldet siden mineralernes dannelsestidspunkter – dels fordi prøverne kan være blevet forstyrrede/mixede, hviket også vil ændre isotopforholdet.

I en undersøgelse i 1963 fandt Shields og Gentner, at isotopforholdet for 27 silikatmineraler varierede fra 0,3842 til 0,3854, hvilket kun er 3 promilles variation = 3 ‰. Isotopforholdet syntes næsten konstant. 3 ‰ variation kan forklares på én af følgende måder (evt. en kombination er flere måder):

  • Radioaktivt henfald i ca. 218 millioner år.
  • Mixing mellem to kilder – én med isotopforholdet 3 ‰ større end den anden.
  • Andet (hvilke kendte fysiske og kemiske processer kan komme på tale?)

Strontium. Sr

Når 87Rb henfalder danner det isotopen 87Sr.

Grundstoffet Strontium (forkortes Sr) består af isotoperne:

  • Strontium-84 (forkortes 84Sr). Den udgør 0,57%.
  • Strontium-86 (forkortes86Sr). Den udgør 9,86%.
  • Strontium-87 (forkortes 87Sr). Den udgør 7,02%. Den dannes ved radioaktivt henfald 87 Rb og kaldes derfor ”radiogen” (=dannet ved radioaktivt henfald). Det er ikke givet, at al 87Sr er radiogent.
  • Strontium-88 (forkortes 88Sr). Den udgør 82,56%.

Sr er i 2. hovedgruppe af det periodiske system (ligesom Magnesium og Calcium, der forkortes Mg hhv. Ca) og kan formodes at findes lignende steder som Mg og Ca.

Isotopforholdet mellem 87Sr og 86Sr henholdsvis mellem 88Sr og 86Sr er derfor:

  • Isotopforhold (forkortes R87/R86, R for ”ratio” = forhold) 7,02 / 9,86 = 0,7120.
  • Isotopforhold (forkortes R88/R86), 82,56 / 9,86 = 8,373.

Det er ikke sikkert, at det første isotopforhold er det samme for forskellige mineralprøver – dels fordi 87Sr er radiogent og jo kan være dannet siden mineralernes dannelsestidspunkter – dels fordi prøverne kan være blevet forstyrrede/ mixede, hvilket også vil ændre isotopforholdet.

I de fleste mineraler er isotopforholdet R87/R86 cirka 0,71. Kun i få mineraler er isotopforholdet større end 0,80. Her kan man ikke sige, at variationen fra 0,71 til 0,80, hvilket er 13%, kan forklares ved radioaktivt henfald i et bestemt antal år. Isotopforholdet vil nemlig også afhænge af mængden af rubidium. Variationen af isotopforholdet R87/R86 kan forklares på én af følgende måder (evt. en kombination af flere måder):

  • En alderseffekt. Radioaktivt henfald i ? antal millioner år.
  • En mixingeffekt. Mixing mellem to kilder.
  • Andet.

Alderseffekt

Hvis 87Rb henfalder radioaktivt til 87Sr i tidens løb, vil der ske en formindskelse af 87Rb (eller isotopforholdet R87/R85) og en forøgelse af 87Sr (eller isotopforholdet R87/R86).

Dateringsformel:

Det svage led i dateringsformlen er 87Srbaggrund. Hvordan afgør man, hvor meget af 87Sr i mineralprøven der er ”baggrund”, som altså var i mineralet ved dannelsestidspunktet før der skete noget radioaktivt henfald af 87Rb? Man kan ikke se det på atomkernerne – de er uskelnelige 87Sr uanset om de er ”baggrund” eller ”radiogene” (=dannet ved radioaktivt henfald).

Figur 2. Alderseffekt. Lidt 87Rb forsvinder/henfalder i tidens løb. Lidt 87Sr dannes ved radioaktivt henfald.

Hvordan er det gået dateringsmetoden, hvis man antager at alt skyldes alderseffekt og intet skyldes mixingeffekt eller andet?

Uoverensstemende dateringer

Hvis man måler på mineraler fra en geologisk formation opdager man at dateringer oftest ikke stemmer overens. Herunder er vist dateringer fra 1961 af grundfjeld fra Syd-Afrika, hvor dateringerne varierer fra 4,5 til 2,1 milliarder år.

Bemærk dateringerne af Muscovit: 4,54 milliarder år og 3,82 milliarder år.

  • Er det et tilfælde, at en datering af Muscovit i Syd-Afrika giver 4,54 milliarder år? Det er jo tæt på nogle dateringer af Jorden (4,55 milliarder år). Hvad betyder det at Jorden og et mineral på Jorden giver samme datering? Er det en aldereffekt, mixingeffekt eller andet?
Tabel 1. Uoverensstemmende dateringer fra Transvaal, Syd‑Afrika. Antagelse: (87Sr / 86Sr) = 0,71.
Kilde (formation) Mineral Tilsyneladende alder
1 Half-way House granit Feldspat 3,060 ± 0,100
Biotit 2,310 ± 0,040
Chlorit 2,890 ± 0,280
Muskovit A 4,540 ± 0,230
Muskovit B 3,820 ± 0,160
Apatit
Epidot
2 Witkoppen granit Feldspat 2,580 ± 0,290
Biotit 2,120 ± 0,010
3 Half-way House pegmatit Biotit 3,010 ± 0,030
Feldspat 3,000 ± 0,040
4 Witkoppen pegmatit Feldspat 2,620 ± 0,060
5 Corlett Drive pegmatit Feldspat 2,800 ± 0,030

Bemærk de uoverensstemmende dateringer:

  • For Half-way House granitten ligger dateringerne spredt fra 2,31 milliarder år til 4,54 milliarder år. Hvilken datering er den rigtige? Hvad betyder de andre dateringer? Må man frasortere dateringer der ikke passer med en bestemt teori? Er det ikke at frede en teori, hvilket man ikke skal gøre, for det gør den til pseudo-videnskab.

Bemærk at der er noget mønster i de uoverensstemmende dateringer:

  • Muscovit-dateringerne giver størst tal. Feldspat-dateringerne giver næststørst tal undtagen for Half-way House pegmatitten. Chlorit-dateringen giver næstmindst tal. Biotit-dateringerne giver mindst tal undtagen for Half-way House pegmatitten. Er der noget der gør at Biotitmineraler ofte, men ikke altid, giver mindre dateringer end Muscovit? Man skal være forsigtig med ikke at komme med en Ad hoc-teori, for at redde nogle bestemte dateringer. En bedre metode ville være, før man ser på dateringerne, at vurdere mineralernes kemiske ældningstilstand (forvitring). De mineraler der ser mest kemisk ældede ud forventes at være dem hvor Rb-Sr uret kan være blevet mest forstyrret. Bagefter kan man så se på dateringerne og være åben overfor om der opstår delvis modsigelse. Dermed sætter man en del af en kemisk ældningsteori (forvitring) på spil.
Figur 3. Uoverensstemmende Rb-Sr dateringer fra Transvaal, Syd‑Afrika.
Figur 4. Rb-Sr datering af silikat fra Weekeroo Station jernmeteoritten.
Figur 5. Rb-Sr datering af Four Corners jernmeteoritten.

Meteoritter

I 1967 fik Burnett & Wasserburg udgivet en artikel om Rb-Sr datering af jernmeteoritter. Den blev berømt pga. grafen for Weekeroo Station-meteoritten:

Bemærk at målepunkterne ligger 99,28% på en ret linie. Aldersformlen giver en datering på 4,37 milliarder år.

  • Burnett & Wasserburgs scenario er at meteoritten blev dannet for 4,37 milliarder år siden med isotopforholdet 87Sr / 86Sr = 0,703. Siden har 87Rb henfaldet til 87Sr. Meteoritten antages at have været uforstyrret siden, så der ikke er sket ydre ændringer af Rubidium og Strontium. Sluttelig faldt den ned på Jorden og blev fundet og målt på. Det lineære mønster af målepunkter tages som en bekræftelse af scenariet. En Rb-Sr datering på 4,37 milliarder år stemmer næsten overens med U-Pb dateringer på 4,54 milliarder år for andre meteoritter.

I samme artikel af Burnett & Wasserburg var der imidlertid måling på 8 andre meteoritter. Én af dem er Four Corners-meteoritten:

Bemærk, at dateringerne fordeler sig I 2 grupper.

  • Four Corners jernmeteoritten har en stor gruppe dateringer fra 4,44 milliarder år til 5,18 milliarder år, hvilke har et gennemsnit på 4,84 milliarder år ± 4%. Det er jo en datering der er 7% større end de 4,55 milliarder år fra nogle andre meteritter. Er Four Corners en ældre meteorit end nogle andre?Four Corners har imidlertid også en gruppe dateringer fra 8,23 milliarder år til 9,35 milliarder år, hvilke har et gennemsnit på 8,79 milliarder år ± 4%. Det er jo en datering der er cirka dobbelt så stor som de 4,55 milliarder år fra nogle andre meteoritter og næsten nøjagtigt dobbelt så stor som deres Rb-Sr datering (=4,37 milliarder år) af Weekeroo Station-meteoritten.Bemærk at de 2 grupper er adskilt mht. isotopforholdet 87Sr / 86Sr. Meteoritten er sammensat af dele der har forskellig baggrunds-Strontium. Det påvirker det svage led i aldersformlen (formel 1).Den ene gruppe har isotopforholdet 87Sr / 86Sr fra 0,7111 til 0,7126. Den anden gruppe har isotopforholdet 87 Sr / 86Sr fra 0,7130 til 0,7197.Er der tale om en mixing mellem 2 kilder med blandt andet forskelligt isotopforhold 87Sr / 86Sr?

Litteratur

D. York & R. M. Farquhar: The Earth’s Age and Geochronology. Pergamon Press (1972).

D. S. Burnett & G. J. Wasserburg: 87Rb-87Sr Ages of Silicate Inclusions in Iron Meteorites. Earth and Planetary Science Letters 2 (1967) 397-408.

F. L. Nielsen: Radioaktive dateringsmetoder. Civilingeniørspeciale. DTU, IAU (tidl. AFE) (1985). Bind I: 80 sider. Bind II (litteraturtillæg): 450 sider. Bind III: 29 sider + 92 sider litteratur.

F. L. Nielsen: Radioaktive dateringsmetoder. Civilingeniørspeciale. DTU, IAU (tidl. AFE) (1985), bind III side 15-20.

Fred Kruijen – http://wannenkopfe.strahlen.org/biotite16.html

Denne artikkelen ble først utgitt i Origo nr 133 (2015).